一種用于化學和生物材料識別的便攜式拉曼光譜解決方案

要點：

* 基于掃頻光源的緊湊型拉曼光譜系統：美國麻省理工學院（MIT）和韓國科學技術院（KAIST）的研究人員開發了一種用于化學和生物材料識別的便攜式拉曼光譜解決方案，克服了光譜儀笨重的局限性。

* 工作原理：該拉曼光譜系統使用掃頻激光器、窄帶濾光片和靈敏的光接收器，與傳統的拉曼光譜儀的識別能力相當。

* 經濟高效的信號處理：研究人員采用信號處理方法來降低系統成本并提高光譜分辨率，從而推進拉曼光譜儀的小型化。

1928年，印度物理學家C. V. Raman和他的同事K. S. Krishnan發現，當光與物質相互作用時，部分散射光會因與分子振動的相互作用而發生能量變化，從而產生所謂的拉曼散射（Raman scattering）。這一發現為拉曼光譜奠定了基礎，拉曼光譜是一種利用這些能量變化來創建材料分子結構的獨特“指紋”的技術。

目前，色散拉曼光譜是材料科學、制藥、環境監測和生物醫學等多個領域中識別樣品的常用方法。然而，捕獲和檢測散射光所需的光譜儀體積龐大，限制了其在實驗室環境之外的使用。此外，大多數手持式拉曼光譜儀僅用于化學分析。

據麥姆斯咨詢報道，近期，在《生物醫學光學雜志（Journal of Biomedical Optics）》上發表的一項題為“Swept-source Raman spectroscopy of chemical and biological materials”的研究論文中，來自韓國科學技術院和美國麻省理工學院的研究人員合作開發了一種緊湊型掃頻光源拉曼（SS-Raman）光譜系統。掃頻光源拉曼的概念在之前的專利（US9662047B2）中提出，但由于缺乏窄帶濾光片，直到最近才實現?；趻哳l光源的拉曼光譜系統識別化學和生物材料的能力可與傳統的色散拉曼光譜儀相媲美。該緊湊型拉曼光譜系統解決了當前手持式光譜儀的局限性，并為生物醫學中的樣品識別打開了大門。

傳統的拉曼光譜儀使用固定波長光源來激發樣品并引起拉曼散射。相比之下，掃頻光源拉曼光譜儀使用掃頻激光器，可發出連續波長范圍的光。掃頻激光經過透鏡及反射鏡之后聚焦到樣品上。樣品散射光經過透鏡和窄帶濾光片之后，由高靈敏度硅光接收器進行檢測，并將光信號轉換為電信號以進行樣品分析，具體如下圖所示。

掃頻光源拉曼（SS-Raman）光譜系統原理圖

“我們提出的掃頻光源拉曼光譜系統使用波長掃頻激光器（822至842nm，耦合多模光纖）、窄帶濾光片和硅光接收器來獲取拉曼光譜信息。這些組件有助于開發緊湊且經濟高效的拉曼光譜系統?！痹撗芯康耐ㄓ嵶髡咧?、麻省理工學院Jeon Woong Kang博士指出。

為了評估該拉曼光譜系統的有效性，研究人員將新系統與傳統的色散拉曼光譜儀進行比較——分別對各種化學和生物樣品獲取拉曼光譜。苯丙氨酸、羥基磷灰石、葡萄糖和對乙酰氨基酚等是被用于獲得900至1200cm?1范圍內拉曼光譜的化學樣品。對于生物樣品，研究人員掃描了豬腹部切片的橫截面。從本文所提出的掃頻光源拉曼光譜系統獲得的拉曼光譜與從傳統的色散拉曼光譜儀獲得的拉曼光譜非常相似，相關系數范圍為0.73至0.91，表明其識別兩種類型樣品的可行性。

利用掃頻光源拉曼光譜系統獲得的生物樣品（豬腹部肉）拉曼光譜信息

值得注意的是，在拉曼光譜系統中，大量成本來自對高質量濾光片和光源的需求。掃頻光源拉曼光譜系統面臨著類似的挑戰。為了保持低成本，研究人員在新系統中采用了信號處理方法。高斯濾波器用于消除不穩定激光輸出引入的紋波噪聲。采用反卷積方法來銳化拉曼光譜中的峰值并提高其分辨率。此外，利用多項式背景去除來消除由于濾光片的低光密度而產生的背景噪聲。

總體而言，本文所提出的新系統為用于化學和生物樣品分析的小型化拉曼光譜儀的未來發展奠定了基礎。然而，新系統仍有改進的空間，特別是在減少樣品的采集時間方面，目前需要40秒以上。為了在不到1秒的時間內檢測生物樣品，研究人員正在開發一種配備多個硅光檢測器和帶通濾光片的多通道掃頻光源拉曼光譜系統，這有望在相同的時間內分析更廣泛的生物分子，以實現更多樣化的應用。

論文信息：
https://doi.org/10.1117/1.JBO.29.S2.S22703

審核編輯：劉清